L’histoire ne retient les solutions d’avenir qui marquent le temps. Au Rétros de la Bièvre, nous présentons les souvenirs du passé, certaines innovations sont aujourd’hui oubliées, d’autres restent gravées dans nos mémoires mais certaines inventions sont toujours utilisées aujourd’hui et sont améliorées.
Avec le changement climatique et les évolutions économiques récemment, les moyens de locomotion et depuis plus d’un siècle, les moteurs, ont toujours su s’adapter et rester à la pointe de la technologie en évoluant. Les ingénieurs fertiles dans ce domaine cherchent des process et trouvent des solutions pour progresser, avancer, s’adapter.
Dans ce cadre la société eHP2 expose aujourd’hui des innovations dont certaines marqueront l’histoire automobile et présente etre autre, le moteur à hydrogène.
LES DEFIS DU MOTEUR THERMIQUE A HYDROGENE FACE A LA MOBILITE ELECTRIQUE (Source: Jean-Pierre BOUDY)
La production et le stockage de l’hydrogène
Il y a différentes possibilités :
- l’hydrogène naturel (gisements en Lorraine et un peu partout dans le monde)
- le vaporeformage du méthane : la solution la plus utilisée aujourd’hui, car la moins chère. Mais le gros inconvénient est qu’en produisant de l’hydrogène, on émet du gaz carbonique, ce qui n’est pas très écologique
- Électrolyse de l’eau : meilleur bilan écologique, mais plus chère (environ 5 fois plus que le vaporeformage du méthane) et rendement faible. Des recherches sont en cours pour améliorer ces deux points (électrolyse haute température…). À noter que la « couleur » de l’hydrogène ainsi produit selon l’origine de l’électricité qui sert à l’électrolyse : si cette électricité provient de centrales à charbon ou à gaz, le bilan écologique est mauvais, car il y a émission de CO2 ; au contraire, si elle provient de centrales nucléaires ou de sources renouvelables (éolien ou solaire), le bilan écologique est bien meilleur, car il n’y a pas d’émission de CO2
La distribution et le stockage de l’hydrogène
Pour la mobilité automobile, ainsi que pour les transports en camion, il n’est pas envisageable d’utiliser de l’hydrogène liquide, car en fin de mission, il faut vidanger le réservoir… C’est concevable pour des avions, et même des fusées (c’est le cas aujourd’hui), mais pas pour des véhicules automobiles.
La solution, qui est déjà appliquée pour les piles à combustible qui équipent déjà des automobiles et des camions, consiste à stocker l’hydrogène sous haute pression, 700 bars.
L’hydrogène est comprimé est distribué par des « pompes à hydrogène », dans des stations-service qui en sont équipées. Il est possible et même probable qu’on se dirige vers une solution qui consiste à produire l’hydrogène dans les lieux de distribution. L’hydrogène est ensuite stocké à bord des automobiles et des camions dans des réservoirs haute pression. Ces réservoirs, qui existent déjà, sont cylindriques, et fabriqués en fibre de carbone bobinée. Un liner à l’intérieur du réservoir assure l’étanchéité à l’hydrogène. Un détendeur équipe le réservoir pour ramener la pression à quelques dizaines de bars, utilisables par le système d’alimentation du moteur. Ceci veut dire qu’on ne peut pas utiliser la totalité du gaz contenu dans le réservoir.
Le moteur thermique à hygrogène
C’est un moteur à allumage commandé, comme les moteurs à essence de nos automobiles actuelles (pas les moteurs Diesel qui, eux, sont des moteurs à allumage par compression). Ceci veut évidemment dire qu’il doit être équipé d’un système d’allumage. Il y aura quelques différences par rapport aux moteurs à essence pour l’adapter à la combustion de l’hydrogène.
Bien évidemment, il va y avoir quelques problèmes à résoudre pour parvenir à exploiter et fabriquer ces moteurs :
- L’homogénéité du mélange pour une bonne combustion du mélange air-hydrogène, ce qui va nécessiter de travailler l’aérodynamique interne du moteur (conduits admission et chambre de combustion)
- La technologie et la géométrie de l’injecteur (direct, dans la chambre de combustion)
- Le refroidissement intense de la chambre de combustion et tous ses composants (piston, soupapes, culasse, bougie, chemise) pour combattre le préallumage par points chauds (l’hydrogène est très sensible à ce phénomène)
- Le système d’allumage (qui devra permettre d’allumer un mélange pauvre air-hydrogène, tout en maximisant la vitesse de combustion). Une solution envisageable est la bougie à préchambre, aujourd’hui utilisée sur les moteurs de Formule 1…
- La plage de richesse du mélange assurant des émissions de NOx les plus faibles possibles
- L’étanchéité de la segmentation des pistons pour minimiser les remontées d’huile dans la chambre de combustion (but : minimiser les émissions de CO2)
- La tenue mécanique de tous les organes qui sont soumis aux pressions élevées de combustion : pistons, soupapes, culasse, carter cylindres, bielles, vilebrequin, coussinets….)
- Le système de suralimentation permettant un débit d’air élevé, nécessaire pour une combustion en mélange pauvre, avec pour conséquence une énergie faible des gaz d’échappement
Les solutions envisagées
Pour l’homogénéité du mélange, on recherchera une forte turbulence de l’air dans la chambre de combustion (tumble)
Concernant l’injecteur (probablement multi trous pour l’homogénéité), il faudra s’adresser à un équipementier spécialiste (Bosch, par exemple, qui travaille déjà sur ce sujet)
Pour le refroidissement, il faudra assurer un débit d’eau intense dans les zones chaudes de la chambre. Le choix des matériaux pourra aussi contribuer à la réduction de la température des parois. Le piston devra être un piston refroidi par galerie. Les soupapes seront refroidies à l’admission et à l’échappement.
Pour l’allumage, la bougie à préchambre est une solution probable
Pour la tenue mécanique, c’est le choix des matériaux, le design et le bon dimensionnement des composants qui permettront d’atteindre la fiabilité attendue. Pour le piston, il sera très probablement nécessaire de recourir à un piston en acier, comme sur certains moteurs Diesel
Pour la dépollution, on envisagera une combustion en mélange pauvre (en dessous d’une richesse de 0,4, il n’y a plus démission de NOx)
Concernant le système de suralimentation, il y a deux solutions :
- Soit on limite la richesse à une valeur moyenne (par exemple 0,6-0,7), permettant de ne pas avoir recours à la double suralimentation, mais nécessitant un système de dépollution des NOx
- Soit on essaye de faire fonctionner le moteur à une richesse faible, de l’ordre de 0,4, nécessitant une double suralimentation, mais plus simple à dépolluer. Dans ce cas, on peut imaginer une double suralimentation constituée d’un turbocompresseur en série avec un compresseur entrainé mécaniquement par le moteur, ou par un moteur électrique.
Avantages et inconvénients du moteur H2 comparé aux autres solutions
Avantages:
+ Technologie du moteur thermique mature, existante depuis 120 ans
+ Pas de perte d’emplois pour les constructeurs, ce qui est le cas du moteur électrique
+ Pas de problème d’autonomie et de durée de ravitaillement
+ Pureté de l’hydrogène moins contraignante que pour la pile à combustible, donc moins cher
+ On retrouve le même plaisir de conduire qu’avec un moteur essence
On notera que qu’il parait possible de partir d’un gros moteur Diesel (de camion) pour développer un moteur H2, moyennant un certain nombre de modifications, ce qui, à priori, ne parait pas possible pour des moteurs de taille automobile.
Inconvénients:
— Technologie du moteur H2 à développer
— Moteur sans doute un peu plus complexe qu’un moteur essence ou Diesel, qui ne seront plus autorisés en Europe à partir de 2035
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